过零投切开关的低压电力电容器设计

摘要：目前，我们经常使用的电容器投切开关在实际的运行过程中还存在着很多问题，新型的过零投切开关主要利用微电子技术，同时企业对电路的结构等开展了进一步的优化与调整，从而能够从根本上进一步的提高开关的安全稳定性，使得电容器组能够在开展过零投切的过程中更加的准确与迅速。通过利用循环投切控制，以及利用共分补优化组合的方式，能够使得过零投切过程的工作效率得到进一步的提升, 同时也能使得电容器的使用寿命得到进一步的增长，同时低压电网的无功动态补偿变得更加的智能。

关键词：电容器；投切开关；过零

近些年来，电网中的非线性负荷以及感性电荷的数量得到了很大程度的提升，以及无功功率也明显增多，这就使得受电端电压的电压以及功率因数降低, 终使得供电的质量受到了非常严重的影响。装设无 功补偿设备的方式能够有效的满足低压配电网无功功率的问题。在开展低压电网无功补偿的过程中，利用电容器来进行补偿是一种比较常用同时也较为有效的一种方式。另外在对投切开关进行选择时，选择的合理性是确保相关补偿工作正常开展的重要环节之一。从不同的投切开关的性能出发，现如今经常投入使用的电容器投切开关中还存在很多的问题需要解决，特别是在其安全稳定性方面，还需要做岀进一步的改进。新型的过零投切开关的电路结构相对于以前做岀了很大的改变，使得可控硅的损坏问题以及单触电磁保持烧坏的问题得到了有效的解决。另外，在该新型的过零投切开关的作用下，以前较为常见的电弧的预燃和重燃现象也很少再发生，保证了工作的正常长期运行，避免了很多故障的产生。另外，也实现了过零无涌流投切的目的，使得补偿的过程更加的准确迅速。

1、过零投切的原理

在经常需要进行过零投切的场合，以当前的技术来说，一般都会选择接触器。但接触器在进行相关的投切动作时，因为缺乏与电路的电压和电流间的稳定的相位关系，所以在实际的操作过程中无所避免的就会出现电流冲击或者是过电压的现象。关于此问题相关研究单位开展了很多的讨论，并且提出了很多的处理措施，争取实现技术上的突破，进一步的提高过零投切的工作效率与工作质量。目前已经研究出了一种新型的电容器过零投切电路开关，该装置的出现弥补了原先装置出现的诸多问题，并且能够实现少耗能。

文章首先对过零投切进行简单的介绍，过零投切主要是利用了电容器的特性，投入电容器时，如果电容器端的电压与电网的电压之间存在着较大的落差，所以可能导致电容器的电压岀现突变的情况，终导致合闸涌流的产生，该涌流可能会导致晶闸管受到破坏，所以为了避免相关故障的产生，投入电容器的时间应该把握在当前端电压和电网的电压相等时。

2、过零投切的系统

低压电力电容器过零投切系统的组成成分较多，主要有电压电流互感器，滤波电路，釆样电路，数字信号处理器，微控制器，磁保持继电器驱动电路等重要部件。除此以外，数字信号处理器和单片机还有电 容状态指示，事件记录以及故障报警等重要功能。人机接口的主要组成部分为显示器和键盘，其主要的功能是对系统参数进行设置，并将电力参数显示到显示器中，供人们利用与参考。

2.1参数采样与投切控制器

低压电容器的过零投切过程对处理器和微控制器的性能要求较高，一般都会选择性能较为良好的32位定点处理器，以及同样具备较高性能，同时也不需要消耗太多能量的STC89C53微控制器。STC89C53微控制器对低压电网的三相电压与电流参数的获得主要可以通过三个重要途径，分别包括电压电流互感器，滤波电路以及采样电路。利用DSP可以将相关的参数实时的计算岀来，然后通过相关的数据进行分析。客户的需求决定着我们是否需要进行电容器组的无功补偿工作，而这一过程的判断要依托单片机进行。微控制器与处理器之间需要通过RS-485通信来实现信息的高速传递，从而能确保系统开展相关工作的实时性。

2.2过零投切开关

低压电容器过零投切开关的主要组成为大功率磁保持继电器，双向晶闸管以及阻容吸收电路等。电力电容器的投切需要利用单片机来对零点投切进行控制。在进行电容器投入工作时，单片机根据其工作的基本原理将会在双向晶闸管的两端电压为零时开始发岀相关的指令，从而能够利用触发脉冲来对双向晶闸 管进行导通，以便能够顺利开展电容器投入工作。大功率继电器收到相关的指令被导通，当晶闸管的电流为零时，单片机就会根据相关的参数以及自身检测的结果来判断是否需要断开双向晶闸管，导通以后再发出相关的信号来依据顺序分别断开大功率的磁保持继电，再断开双向晶闸管。当开关处于正常工作的状态时，我们需要保持大功率磁保持继电器的通断，但不需要一直保持双向晶闸管的通断，它只需要在开关投切的瞬间保持通断即可，这样做的目的是为了解决电容器投切时的涌流冲击问题，同时也有效的减少了在运行过程中的能量损耗。

2.3磁保持继电器驱动电路

大功率磁保持继电器一般都具有较强的承载能力，在实际运行的过程中一般不会消耗太多的能量。在其内容有磁钢以及线圈，这些组分在工作的过程中都需要听从来自单片机的指令。磁保持继电器在选择的过程中可以考虑HFE9型，该继电器具备双线圈的装置。在开展合分闸的工作时，主控芯片输出的高电平能够使得三极管被导通，其所持续的时间大概维持在50ms左右，在之后主控芯片来进行低电平的输出，磁保持继电器来完成碰头工作，从而完成合分闸的过程。

2.4晶闸管过零检测与触发电路

电容器投切的过程中可能会出现合闸涌流和过电压冲击的现象，所以为了解决这一问题，对电容器的投切过程进行保护，我们须要在双向晶闸管的电压或电流为零时再开始进行电容器的投切工作。在进行 芯片的选择时，考虑到上述的相关问题，我们在选择芯片时应尽量考虑其过零检测以及触发的能力，选择各方面都具有明显优势的理想芯片来开展对双向晶闸管的驱动工作。MOC3083驱动芯片是一种具有较强工作能力的芯片，它内部的电路能够进行过零检测，当晶闸管出现两端电压等零的情况时，其就会发出相关的触发脉冲的信号，来对晶闸管进行导通或者是断开。另外，在此过程中压敏电阻的使用使得电路异常过电压的现象得以解决，这一过程主要依靠的还是压敏电阻良好的承受冲击的能力。

2.5补偿方式的分析

投切电容器组的补偿方式可以选择共，分布优化组合，这样的补偿方式具有较高的灵活性，有效的完善了低压电网负荷变化的问题，同时三相负荷不平衡的无功功率补偿问题也得到了良好的解决。在负载平衡时，可以釆用共补的方式，而在负载不太平衡或存在很大的波动时，可以采用先进行共同补偿，再进行分别补偿的方法。针对居民用电，其一般使用的都是单相负载，所以其变动通常都比较大，三相负载往往会出现过分不平衡的情况，而且针对于不同的相来说其所要求的补偿电容量也不同。无功补偿的差异之大使得我们在选择补偿方式时不能选择共补的方式，所以这时候单独补偿的方式是较好的解决方法。该方法能够有效的减少资源的浪费，其自身具备着非常良好的合理性。

3、投切流程的设计

无功功率以及功率因数是影响低压电力电容器过零投切控制工作的两大重要因素，其中无功功率对其 的影响比较的明显。另外，低压电力电容器过零投切控制工作的开展需要根据无功功率以及功率因素这两方面来进行。低压电网的电力运行参数需要通过采样电路来得出，并用DSP来进行计算，得到相关的值以后需要跟提前设定好的相关值进行一定的比较，投入或切除补偿的电容器组的电容量值就是通过我们的比较来进行确定的。在进行电容器的选择时，循环投切是一种比较实用以及合理的一种方式，依据时间的不同来进行不同的操作，比如说先投入的电容器需要先行撤出，而后投入的电容器需要等前面的电容器撤出后再撤出。这样的撤出方式能够有效的降低投切的过程中电容器的温度，使得电容器的使用年限得到进一步的提升。循环投切的方式使得投切的过程更加的准确，过往我们选择的投切方式都是以某一单一元素作为依据，这样的方式容易产生重复投切振荡的现象。

4、影响投切精度的因素分析

影响精度的因素主要存在于三个方面，它们分别是过零方波的延迟时间，继电器的动作响应时间以及交流电的半周期。这三方面的因素虽然不具备非常重要的作用，但是三者都会产生一定程度的误差，特别 是某些难以补偿的误差。对于某些误差来说，技术性的操作问题往往会对投切的精度产生一定的影响。对于过零信号的精度来说，在制定相关的电路方案时我们已经基本确定了要使用的相关仪器，而仪器的选择将会对精度产生非常严重的影响。不管输出的是怎样的波形，延迟误差的出现往往是难以避免的。所以说，在对过零检测的电路进行设计时，要充分的考虑到重复误差的影响，尽量以减少重复误差为主要设计原则，进一步的提升波长的稳定性。另外，过零检测的电路不要使用一些普通的二极管或是光电耦合器，因为这些设备往往会产生较大的误差。

5、安科瑞电容补偿装置介绍

AZC/AZCL系列智能电力电容补偿装置是应用于0.4kV、50Hz低压配电中用于节省能源、降低线损、提高功率因数和电能质量的新一代无功补偿设备。它由智能测控单元，晶闸管复合开关电路，线路保护单元，两台共补或一台分补低压电力电容器构成。可替代常规由熔丝、复合开关或机械式接触器、热继电器、低压电力电容器、指示灯等散件在柜内和柜面由导线连接而组成的自动无功补偿装置。改变了传统无功补偿装置体积庞大和笨重的结构模式，具有补偿效果更好，体积更小，功耗更低，价格更廉，节约成本更多，使用更加灵活，维护更方便，使用寿命更长，可靠性更高的特点，适应了现代电网对无功补偿的更高要求。

（1）AZC系列智能电容器采用晶闸管复合开关投切，较佳投切点，实现无弧通断；完善的保护功能，集成在一个模块内，安装方便。

AZC系列智能电容器选型：

（2）AZCL是在AZC基础上，串接合适电抗率（7%适用于5/7次以上谐波环境，14%适用于3/5/7次以上谐波环境）的电抗，可有效解决谐波，避免谐振放大谐波，保护电容柜本身寿命。

AZCL系列智能电容器选型：

上述两种智能电容器采用LCD液晶显示器，可实时显示三相母线电压、三相母线电流、三相功率因数、频率、电容器路数及投切状态、有功功率、无功功率、谐波电压总畸变率、电容器温度等电参量。通过内部晶闸管复合开关电路，自动寻找较佳投入（切除）点，实现无弧通断；保证过零投切，无涌流、触点不烧结、微能耗、无谐波；同时具有抗干扰、防雷击和电源缺相、空载跳闸的保护功能，特别适用于无功补偿时切换电容器，不需加装散热器。

6、结语

低压电力电容器过零投切开关自身具备很多的优势，而且它也同时包含了机械开关和电子开关的综合 优势，所以在实际的操作过程中，其检测的结果往往能够更加的准确。同时也不需要消耗太多的能量，无涌流的影响。另外其还有成本低，损耗的能量少，控制的方式比较的灵活等特点，另外其电容器的使用寿命也得到了进一步的提升。在投切电容器的过程中，共分补优化组合的补偿方法具有较强的灵活性，解决了很多难以解决的问题。

【参考文献】

• 李万军.基于低压电力电容器的过零投切开关优化设计[J].人工智能与控制，1001-5922（2019）07
• 宋舜波，马琪.一种复合开关控制的智能低压电力电容器设计[J].杭州电子科技大学学报，2012（05）：25-28
• 安科瑞企业微电网设计与应用手册.2020.6版
• 安科瑞电能质量监测与治理选型手册.2019.11版